15X1M1Ф 低合金熱強(qiáng)鋼筒形鍛件的生產(chǎn)研制

文/張陽(yáng)，夏昊，陳亞平，李少雨，鄧偉，沈明·中航卓越鍛造(無(wú)錫)有限公司

采用“電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)”工藝進(jìn)行冶煉，通過(guò)適當(dāng)控制Cr、Mo、Ni、V 等主要合金化元素的含量，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)腻懺?、芯軸拔長(zhǎng)、馬架擴(kuò)孔、輾環(huán)等高溫變形和合理的正火+回火處理，15X1M1Ф 低合金耐熱鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為10℃，且經(jīng)過(guò)740℃保溫8h 的模擬焊后熱處理后，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高到20℃，常規(guī)力學(xué)性能略有降低，而350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能則變化不大，且均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

前言

15X1M1Ф 鋼為前蘇聯(lián)牌號(hào)，相當(dāng)于15Cr1Mo1V 低合金耐熱鋼，屬于低合金熱強(qiáng)鋼，在國(guó)內(nèi)廣泛用于火電機(jī)組鑄鋼件的制造，鋼中加入Cr、Mo、V 等元素能有效提高材料的熱強(qiáng)性和高溫持久性能。該類型鋼產(chǎn)品在生產(chǎn)制造中一般采用正火—高溫回火的方式進(jìn)行處理，以獲得良好的使用性能。本文通過(guò)對(duì)15X1M1Ф 鋼筒形鍛件的研制，在其鍛造、熱處理等方面獲得了大量的數(shù)據(jù)，為后續(xù)生產(chǎn)該類材質(zhì)鍛件，提供了詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

鍛件技術(shù)指標(biāo)

化學(xué)成分

冶煉應(yīng)采用電弧爐(EAF)煉鋼，為保證鍛件質(zhì)量，允許采用爐外精煉(LF)和真空冶煉或者采用電渣和真空電弧重熔方式冶煉。化學(xué)成分應(yīng)滿足表1 之規(guī)定。

表1 15X1M1Ф 鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

力學(xué)性能

15X1M1Ф鋼筒形鍛件應(yīng)以正火+回火狀態(tài)交貨，鍛件本體硬度應(yīng)在150 ～200HBW 之間，其力學(xué)性能試樣在經(jīng)過(guò)正火—高溫回火的鍛件本體上制取，取樣位置為距外表面1/3 壁厚處，力學(xué)性能取樣如圖1所示，其中試樣1 ～13 分別用于檢測(cè)正火—高溫回火狀態(tài)力學(xué)性能，試樣14 ～20 分別用于檢測(cè)模擬焊后熱處理狀態(tài)力學(xué)性能。試樣1 用于檢測(cè)鍛件的宏觀組織， 試樣2 ～4 用于檢測(cè)鍛件的顯微組織、奧氏體晶粒度、非金屬夾雜物，試樣5 和試樣19 分別用于檢測(cè)正火—高溫回火狀態(tài)和模擬焊后熱處理狀態(tài)材料的力學(xué)性能，試樣6 和試樣20 分別用于檢測(cè)正火—高溫回火狀態(tài)和模擬焊后熱處理狀態(tài)材料的350℃高溫拉伸性能，試樣10 ～15 分別用于檢測(cè)正火—高溫回火狀態(tài)和模擬焊后熱處理狀態(tài)材料的臨界脆性溫度。取樣后，檢測(cè)鍛件在正火—回火后的常規(guī)室溫力學(xué)性能、350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能，具體要求見(jiàn)表2 和表3。同時(shí)還應(yīng)檢測(cè)材料的臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度，要求其臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度不大于20℃，如果臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度高于20℃時(shí)，應(yīng)確定材料的實(shí)際脆性轉(zhuǎn)變溫度。

圖1 15X1M1Ф 筒形鍛件取樣示意圖

表2 室溫力學(xué)性能

表3 350℃高溫力學(xué)性能

試樣從鍛件本體上取下后，應(yīng)進(jìn)行模擬焊后熱處理試驗(yàn)，具體模擬焊后熱處理制度如下：在不超過(guò)300℃的溫度下裝爐，以(60 ～150)℃/h 的速率加熱至725 ～755℃，保溫7 ～8h，空冷。試樣按照模擬焊后熱處理處理后，其室溫力學(xué)、350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能也應(yīng)滿足表2 和表3 所示要求，材料脆性轉(zhuǎn)變溫度的要求同正火—回火狀態(tài)下的要求一致。

宏觀組織

鍛件應(yīng)進(jìn)行宏觀組織檢測(cè)，在宏觀組織中不允許出現(xiàn)裂紋、結(jié)塊、縮孔、脆性、氣泡和分層及尺寸超過(guò)3mm 的夾渣。

微觀組織

鍛件的顯微組織應(yīng)該為貝氏體組織。奧氏體晶粒度大于等于5 級(jí)。非金屬夾雜物含量：硫化物類夾雜物不大于3.5 級(jí)，氧化物類夾雜物不大于3.5 級(jí)，硅酸鹽類夾雜物不大于3.5 級(jí)。

超聲波檢驗(yàn)

鍛件經(jīng)加工后逐件進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，滿足對(duì)于壁厚大于250mm 的鍛件，當(dāng)在1m2的任何正方形表面上由直接傳感器控制時(shí)，所有固定不連續(xù)性的總等效面積不應(yīng)超過(guò)800mm2，而等效面積為30 ～40mm2的不連續(xù)性數(shù)量不應(yīng)超過(guò)5 個(gè)的驗(yàn)收要求。

15X1M1Ф 鋼筒形鍛件試制過(guò)程

化學(xué)成分

鍛件用鋼錠采用“電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)”工藝進(jìn)行冶煉，并鍛制成筒形鍛件。按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》之要求進(jìn)行檢測(cè)，筒形鍛件的實(shí)際化學(xué)成分如表4 所示，滿足技術(shù)要求。

表4 15X1M1Ф 鋼筒件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛造及熱處理

將鋼錠加熱至1250℃保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間后，經(jīng)多次鐓拔以改善鋼錠內(nèi)部組織和細(xì)化材料鑄態(tài)晶粒尺寸，然后經(jīng)沖孔、芯軸拔長(zhǎng)、馬架擴(kuò)孔和輾環(huán)等工序制備成高筒形環(huán)鍛件，鍛造、輾環(huán)過(guò)程控制鍛造溫度不低于800℃以避免坯料開(kāi)裂和鍛件表面裂紋，鍛件總鐓粗比不小于6，單次鐓粗比不小于1.5。

鍛件輾環(huán)至規(guī)定尺寸后，按照?qǐng)D2 所示熱處理工藝進(jìn)行正火—高溫回火處理。將正火—高溫回火后的鍛件進(jìn)行本體硬度檢測(cè)、粗加工、探傷等處理，本體硬度和探傷等滿足要求后，按照?qǐng)D1 所示進(jìn)行取樣，然后將試樣按照?qǐng)D3 所示模擬焊后熱處理工藝進(jìn)行處理。

圖2 15X1M1Ф 筒形鍛件正火—回火工藝

圖3 15X1M1Ф 筒形鍛件模擬焊后熱處理工藝

結(jié)果討論

力學(xué)性能

將正火+高溫回火處理后的鍛件按圖1 所示取樣，然后根據(jù)GB/T 228.1-2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2 部分：高溫試驗(yàn)方法》、GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》檢驗(yàn)。檢測(cè)鍛件在正火—高溫回火后的常規(guī)力學(xué)性能、350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能和材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，并檢測(cè)經(jīng)過(guò)模擬焊后熱處理后的試樣力學(xué)性能，具體結(jié)果見(jiàn)表5、表6。根據(jù)力學(xué)性能結(jié)果可知，按照?qǐng)D2 處理后鍛件力學(xué)性能和經(jīng)過(guò)圖3 所示模擬焊后熱處理制度處理后試樣常規(guī)力學(xué)性能略有降低，但350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能變化不大，且都滿足技術(shù)要求。鍛件正火—高溫回火狀態(tài)和模擬焊后熱處理后試樣的沖擊性能如圖4 所示，根據(jù)圖4 可知，15X1M1Ф 材料正火—高溫回火后的臨界韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為10℃，經(jīng)模擬焊后熱處理后材料的臨界韌脆轉(zhuǎn)變溫度則為20℃，都滿足技術(shù)要求。

圖4 15X1M1Ф 鋼不同狀態(tài)下的沖擊功

表5 室溫力學(xué)性能

表6 350℃高溫力學(xué)性能

鍛件加工至發(fā)貨尺寸后，在鍛件上下兩端面和內(nèi)外徑不同位置每隔90°檢測(cè)硬度，結(jié)果如表7 所示，鍛件本體不同位置硬度均勻性小于15HBW。

表7 鍛件不同位置硬度/HBW

宏觀組織

圖5 為15X1M1Ф 鍛件宏觀組織，根據(jù)GB/T 226 -2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》檢測(cè)，鍛件的宏觀結(jié)構(gòu)中，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋、結(jié)塊、縮孔、脆性、氣泡和分層及尺寸超過(guò)3mm 的夾渣。鍛件的宏觀組織滿足技術(shù)要求。

圖5 15X1M1Ф 鍛件宏觀組織

微觀組織

圖6為15X1M1Ф鍛件顯微組織，根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》檢測(cè)，鍛件顯微組織為粒狀貝氏體組織。圖7 為鍛件的奧氏體晶粒度圖片，根據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》檢測(cè)，奧氏體晶粒度級(jí)別8.5 級(jí)。圖8 為鍛件的非金屬夾雜物圖片，根據(jù)GB/T 10561-2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》檢測(cè)，夾雜物級(jí)別為氧化物類夾雜物1 級(jí)，硫化物類夾雜物和硅酸鹽類夾雜物未見(jiàn)。鍛件的顯微組織、奧氏體晶粒度和非金屬夾雜物滿足技術(shù)要求。

圖6 15X1M1Ф 鍛件顯微組織

圖8 15X1M1Ф 鍛件非金屬夾雜物

探傷

15X1M1Ф 筒形鍛件經(jīng)粗加工—探傷—熱處理—粗加工—探傷等工序，超聲波探傷按照要求逐件檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷，滿足技術(shù)要求。

結(jié)論

采用“電爐(EAF)+爐外精煉(LF)+真空脫氣(VD)”工藝進(jìn)行冶煉，通過(guò)適當(dāng)控制Cr、Mo、Ni、V 等主要合金化元素的含量，經(jīng)過(guò)合理的鍛造、芯軸拔長(zhǎng)、馬架擴(kuò)孔、輾環(huán)等高溫變形，按照980℃正火空冷+740℃回火空冷，15X1M1Ф 低合金耐熱鋼筒形環(huán)鍛件的金相組織、常規(guī)力學(xué)性能、350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能和超聲波探傷結(jié)果都滿足鍛件技術(shù)要求，15X1M1Ф 鋼在正火—回火處理后韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為10℃。經(jīng)過(guò)740℃保溫8h 的模擬焊后熱處理后，試樣的常規(guī)力學(xué)性能略有降低，350℃下的高溫瞬時(shí)力學(xué)性能變化不大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高到20℃。